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灰場(chǎng)壩體下壓煤開采安全技術(shù)分析

文檔作者：龐立新文檔來(lái)源： 1．平頂山天安煤業(yè)股份有限公司 2．河南理工大學(xué)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年12月09日
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第5期
2011年10月
礦 山 測(cè) 量
MINE SURVEYING
No．5
0ct．20l1
doi：10．3969／j．issn．1001—358X．2011．05．032
灰場(chǎng)壩體下壓煤開采安全技術(shù)分析
龐立新
(1．平頂山天安煤業(yè)股份有限公司，河南平頂山467000；
2．河南理工大學(xué)，河南焦作454000)
摘要：文中以程寨溝灰場(chǎng)壓煤開采為實(shí)例，對(duì)灰場(chǎng)壩體下壓煤開采進(jìn)行了安全技術(shù)分析。分析結(jié)果
認(rèn)為儲(chǔ)灰場(chǎng)地表水體不會(huì)對(duì)工作面產(chǎn)生充水影響，灰壩下工作面開采對(duì)壩體及相關(guān)附屬水工建筑物
不會(huì)造成破壞性影響，未對(duì)壩體靜力穩(wěn)定和滲流穩(wěn)定造成嚴(yán)重影響，程寨溝灰場(chǎng)壩體下壓煤開采是
可行的?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果也表明，井下開采未對(duì)地表水工建筑物產(chǎn)生破壞性影響，壩體和水工建筑物
保持了正常安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了灰場(chǎng)下壓煤安全開采，取得了顯著經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也為今后類似條件堤
壩下采煤提供了依據(jù)。
關(guān)鍵詞：灰場(chǎng)；壩體；開采；水工建筑物；安全
中圖分類號(hào)：TD823．83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1001—358X(2011)05—0085—04
程寨溝灰場(chǎng)位于平頂山市寶豐縣李莊鄉(xiāng)程寨溝
境內(nèi)，為中電投姚孟發(fā)電公司粉煤灰排放場(chǎng)地，灰場(chǎng)
地處平煤股份一礦井田西北部三水平丁二下山采區(qū)
上方，壓井田丁、戊組煤約655萬(wàn)噸，造成了一礦綜
采工作面不能正常布置，嚴(yán)重影響了礦井達(dá)產(chǎn)能力
和出煤量，對(duì)礦區(qū)社會(huì)環(huán)境和諧發(fā)展起到了一定的
負(fù)面作用。
近年來(lái)，由于平煤股份一礦持續(xù)高產(chǎn)，加上礦井
逐漸進(jìn)入深部開采范圍受到高瓦斯及高地溫的影
響，以及地表建(構(gòu))筑物壓煤情況嚴(yán)重，致使礦井經(jīng)
常出現(xiàn)采掘接續(xù)緊張的局面，一定程度上制約了礦
井高產(chǎn)高效的實(shí)現(xiàn)和可持續(xù)發(fā)展。為緩解當(dāng)前面臨
的緊張局面，一礦擬通過(guò)對(duì)灰場(chǎng)下采煤可行性論證
研究及工業(yè)性試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)灰場(chǎng)下安全采煤。
1 概 況
1．1 程寨溝灰場(chǎng)介紹
程寨溝灰場(chǎng)東、南、西三面環(huán)山，在灰場(chǎng)北部筑
有大壩形成儲(chǔ)灰?guī)欤瑢儆谏焦刃臀驳V庫(kù)。電廠粉煤
灰則以濕排法用三條沖灰管道輸送至灰場(chǎng)，年入灰
量約1．46 X 10 m 。
灰場(chǎng)大壩主壩頂標(biāo)高目前為+245 m，壩基標(biāo)高
為+175 m，壩高70 m，壩頂寬度為6．75 m，大壩縱
向沿東西方向，主壩長(zhǎng)約1 km。目前程寨溝灰場(chǎng)總
儲(chǔ)灰?guī)烊?．36 X 10 m ，已存儲(chǔ)灰渣約2．8×10 m ，
現(xiàn)儲(chǔ)灰場(chǎng)內(nèi)灰面標(biāo)高約為+236．5 m，庫(kù)內(nèi)水面標(biāo)高
約為+235 111，攔灰壩前固結(jié)干灘面長(zhǎng)約390 m。程
寨溝灰場(chǎng)及大壩如圖1、圖2所示。
圖1 儲(chǔ)灰場(chǎng)
圖2 灰場(chǎng)壩體
灰場(chǎng)大壩初級(jí)壩為透水型堆石壩，采用上游式
尾礦筑壩方法，利用庫(kù)內(nèi)粉煤灰碾壓筑壩進(jìn)行各級(jí)
子壩加高工程，現(xiàn)已建成初期壩、一級(jí)子壩、二級(jí)子
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第5期 礦 山 測(cè) 量 2011年10月
壩和三級(jí)子壩。為提高壩體排滲水性能，降低壩體
浸潤(rùn)線，各級(jí)子壩均增設(shè)縱、橫向排滲水系統(tǒng)。其中
初期壩采用兩級(jí)泄洪豎井和直徑2．5 m鋼筋砼泄洪
設(shè)施，泄洪洞下游出口采用挑流消能方式，采用窗口
式豎井排水，后期利用多級(jí)跌水式斜槽排水。一級(jí)
子壩工程設(shè)置了垂直集滲井，結(jié)構(gòu)為鋼筋籠外包土
工布，內(nèi)充填塊石。和水平排滲系統(tǒng)由堆石集滲褥
墊、縱向排滲鋼花管、橫向排滲鋼管組成。二級(jí)子壩
加高排滲系統(tǒng)包括輻射井、壩外水平排滲管、輻射
管、高精度導(dǎo)向?qū)摴堋?
程寨溝灰場(chǎng)控制流域面積5．8 km ，設(shè)計(jì)洪水頻
率1％(百年一遇)，洪峰流量242．0 m ／s，洪水總量
1．693×10。m’；校核洪水頻率0．2％(五百年一遇)，
洪峰流量316．0 m ／s，洪水總量2．32×10 m。。
1．2 灰場(chǎng)下壓煤開采地質(zhì)條件
一礦目前主采丁組煤，煤層層位較穩(wěn)定，走向大
致為東西向，傾向北，形成單一的單斜構(gòu)造，傾角8。
～ 21。。丁 煤層厚度0．3—1．85 n ，平均厚度1．0m，
在小范圍內(nèi)與丁 煤層合層。丁 煤層厚度0．87～
3．28 m，平均厚2．2 m，全部可采，上距丁 煤層一般
5 m左右，下距戊組煤層一般為85 in左右。采煤方
法主要是走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化開采，全部垮
落法管理頂板。
采區(qū)地表為低山丘陵地形，地表平均標(biāo)高為+
240 m，丁組煤底板等高線為一460一一600 m，煤層
傾角約9。，煤層埋深約600～700 Ill，地表第四系覆
蓋層較薄，大部分基巖直接出露。煤層上覆巖層主
要由中粗砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、煤層等組成，基巖
直接出露，整個(gè)覆巖巖性屬于中硬。區(qū)域內(nèi)斷層較
少，地質(zhì)構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，對(duì)灰場(chǎng)下采煤比較有利。
區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)條件比較簡(jiǎn)單，煤層正常開采
主要充水水源為煤層頂板各類砂巖含水層，消耗其
靜儲(chǔ)量為主，充水通道為采動(dòng)裂隙及構(gòu)造破碎帶，頂
板砂巖含水層均屬弱一中等含水層，其充水量有限，
原則上不影響礦井生產(chǎn)。地表水體和基巖風(fēng)化帶水
不會(huì)形成對(duì)礦井直接充水影響，但可以成為礦井充
水的間接補(bǔ)給水源。在自然條件下各含水層之間水
力聯(lián)系較弱，含水層內(nèi)水體以層內(nèi)逕流為主，大氣降
水為各巖層組補(bǔ)給來(lái)源。
1．3 井下開采安全分析
姚孟電廠采用濕排法將粉煤灰輸送至程寨溝儲(chǔ)
灰場(chǎng)，在儲(chǔ)灰場(chǎng)南部地勢(shì)低區(qū)域形成了大片積水區(qū)。
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由于程寨溝灰場(chǎng)及地表水體的存在，地下開采引起
的巖層與地表移動(dòng)，能使位于開采影響范圍內(nèi)的地
表水體的水、泥砂潰入井下，威脅煤礦井下安全生
產(chǎn) ]。為此，灰場(chǎng)下采煤應(yīng)留設(shè)足夠的防水安全煤
巖柱，目的是不允許導(dǎo)水裂縫帶波及水體，以免水體
潰人采場(chǎng)造成突水甚至淹井事故。
本礦井防水安全煤巖柱垂高按下式計(jì)算 ：
H5h=Hli+日b+ (1)
式中：日。 為防水安全煤巖柱垂高m；H， 為煤層
采后導(dǎo)水裂縫帶高度，m；H 為保護(hù)層厚度，取3倍
采厚；珥為基巖風(fēng)化帶厚度，取50 m。
中硬覆巖條件下綜采導(dǎo)水裂縫帶最大高度選取
計(jì)算公式如下 ：
H。；：20．22 +10
√
(2)
式中：M為煤層累計(jì)采厚，m；n為煤層開采分
層數(shù)。
灰場(chǎng)下丁組煤累計(jì)采厚約4．6 m，按照綜采(放
頂煤)一次采全厚計(jì)算，丁組煤開采后導(dǎo)水裂縫帶最
大高度為103 m，水體下開采所需防水安全煤巖柱尺
寸為170 m，工作面頂板上基巖柱最小厚度為660 m，
在保護(hù)層上尚有542 l'n巖柱仍保持其相對(duì)隔水性，
因此地表水體不會(huì)進(jìn)人井下工作面，在正常條件下，
灰場(chǎng)下丁組煤層保護(hù)煤柱內(nèi)采用綜采開采工藝，不
會(huì)改變礦井充水條件，綜采工作面充水仍以煤系頂
板基巖裂隙水為主。因此，在正常地質(zhì)、采礦條件
下，灰場(chǎng)水體下丁組煤層保護(hù)煤柱開采是安全可行
的，儲(chǔ)灰場(chǎng)地表水體不會(huì)對(duì)工作面產(chǎn)生充水影響，工
作面充水水源主要是頂板砂巖水。
2 地面壩體及水工建筑物安全分析和試驗(yàn)結(jié)果
灰場(chǎng)是一個(gè)具有高勢(shì)能的人造泥石流危險(xiǎn)源，
存在潰壩危險(xiǎn)，一旦失事，容易造成重特大事
故H ]。鑒于灰場(chǎng)壩體下采煤技術(shù)難度高、安全風(fēng)
險(xiǎn)大，需對(duì)開采影響下地面壩體及水工建筑物的安
全性進(jìn)行評(píng)估，以解決灰場(chǎng)壩體下安全開采的現(xiàn)實(shí)
問(wèn)題。
2．1 壩體靜力穩(wěn)定性驗(yàn)算
按摩爾一庫(kù)倫極限平衡條件，不考慮外力，也不
考慮壩體材質(zhì)的內(nèi)聚力(作為安全儲(chǔ)備)，壩體的坡
角若小于等于灰層的內(nèi)摩擦角即可保持平衡，即：
tga≤tg0 (3)
第5期 龐立新：灰場(chǎng)壩體下壓煤開采安全技術(shù)分析 2011年l0月
式中：口為壩體邊坡和水平面的夾角； 為壩體
粉煤灰的內(nèi)摩擦角。
目前灰場(chǎng)壩體背水坡為1：3．7，其邊坡角約為
15．1。；取灰場(chǎng)內(nèi)粉煤灰作三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)
其有效應(yīng)力強(qiáng)度 值為30。，邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)
為：
K= 4 (4)
灰壩目前抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為2．14，大于《選礦
廠尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(ZBJ1—90)中等別為(三)灰
壩正常運(yùn)行的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)1．2，因此目前壩體
處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生滑坡可能。
2．2 壩體滲透穩(wěn)定性驗(yàn)算
由于水在壩體中的滲流受到土粒的阻力，浸潤(rùn)
線產(chǎn)生水力坡降，成為滲透坡降(， )，滲透坡降越
大，對(duì)壩體中的土粒的壓力就越大，使土體開始產(chǎn)生
不允許的流土、管涌等變形的滲透坡降成為臨界坡
降(， ．)，滲透穩(wěn)定安全系數(shù)k由下式表示：
K=IL／Is (5)
粉煤灰滲透系數(shù)變動(dòng)范圍在3 X 10 ～8 X 10
em／s，屬于低透水性。在無(wú)反濾層覆蓋情況下，其破
壞比降為0．5～0．6，有黃砂作反濾層時(shí)，其破壞比降
約為1．0～1．6，有土工布作反濾層時(shí)，其破壞比降約
為1．4—2．0 卜引。目前灰場(chǎng)大壩背水坡以土工布為
反濾層，其臨界坡降取1：2，灰場(chǎng)壩體背水坡度為
1：3．7，滲透穩(wěn)定性系數(shù)：
K=1：2／1：3．7=1．85 (6)
經(jīng)計(jì)算，壩體滲透穩(wěn)定性安全系數(shù)為1．85，因此
壩體滲透穩(wěn)定性符合安全標(biāo)準(zhǔn)。
2．3 開采對(duì)灰壩及水工構(gòu)筑物影響分析
2005—2010年，程寨溝灰場(chǎng)下進(jìn)行了丁組煤層
保護(hù)煤柱內(nèi)的試驗(yàn)開采，其中主要包括一礦丁 、 一
19190、丁 一19210工作面和四礦丁5 6—32020、
丁 一32040、丁 一32060工作面，灰場(chǎng)及壩體區(qū)域
開采井上下對(duì)照如圖3所示?；覉?chǎng)下已開采丁組煤
工作面主要集中在壩體南部區(qū)域，其中丁 一32060
在攔灰壩體正下方進(jìn)行了開采活動(dòng)，采厚約2．2 m，
開采時(shí)間為2007．5～2008．2，開采丁組煤上分層。
利用概率積分法對(duì)灰場(chǎng)壩體區(qū)域開采后移動(dòng)變
形程度進(jìn)行預(yù)計(jì)。經(jīng)計(jì)算，灰場(chǎng)內(nèi)最大下沉約
1670 trim，壩體下沉為80～1450 nlll，壩體橫向傾斜
變形為0～3．8 mm／m，壩體縱向傾斜變形為0～
．|
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一 i ～5 7
圖3 程寨溝灰場(chǎng)壩體區(qū)域開采井上下對(duì)照?qǐng)D
a：下沉
b：傾斜
藝
二=二 一咖一
c：水平變形
圖4 灰壩壩頂?shù)乇硪苿?dòng)變形預(yù)計(jì)結(jié)果 ，
4．2 mm／m，壩體橫向水平變形為一1．9～2．4 mm／m，壩
體縱向水平變形為一2．5—0．9 mm／m?；覊沃鲏雾斀?
橫向、縱向移動(dòng)變形情況如圖4所示。
地表移動(dòng)變形計(jì)算結(jié)果揭示，灰壩區(qū)域及附屬
水工構(gòu)筑物將經(jīng)受Ⅱ級(jí)采動(dòng)影響。受拉伸變形影
響，壩體局部有可能出現(xiàn)拉伸裂縫，由于拉伸變形值
較小，裂縫影響較輕微。受地表傾斜和水平變形影
響，將會(huì)對(duì)排灰管路產(chǎn)生一定影響，應(yīng)加強(qiáng)巡視?；?
場(chǎng)排洪、排滲將會(huì)受到一定程度采動(dòng)影響，鑒于其結(jié)
構(gòu)均采用鋼筋砼結(jié)構(gòu)及高強(qiáng)度鋼管排滲，因此不會(huì)
對(duì)其正常使用造成破壞性影響。
2．4 開采試驗(yàn)結(jié)果
灰場(chǎng)壩體移動(dòng)變形現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：壩體未
出現(xiàn)明顯的沉陷變形，監(jiān)測(cè)最大下沉約260 mm；主
壩頂面出現(xiàn)了橫向裂縫，寬度較小。監(jiān)測(cè)顯示開采
未對(duì)壩體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，對(duì)個(gè)別寬度較大裂縫采
取了灌漿和開挖回填處理。
87
第5期 礦 山 測(cè) 量
現(xiàn)場(chǎng)排水系統(tǒng)的勘查和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)水質(zhì)化驗(yàn)顯
示，排水水質(zhì)清澈，未夾帶粉煤灰等雜物，說(shuō)明灰場(chǎng)
及壩體滲流系統(tǒng)是正常、穩(wěn)定的，開采工作面沒有對(duì)
排滲、排洪系統(tǒng)產(chǎn)生破壞性采動(dòng)影響。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)算，
目前整個(gè)排滲系統(tǒng)排水量約200～300 in ／h。
截止2010年，灰場(chǎng)壩體保護(hù)煤柱下共采出煤炭
資源約150萬(wàn)t，極大緩解礦井接續(xù)緊張局面，創(chuàng)造
了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，灰壩下工作面開采
未對(duì)壩體靜力穩(wěn)定和滲流穩(wěn)定造成嚴(yán)重影響，壩體
及附屬水工建筑物保持了其正常運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了
灰場(chǎng)下壓煤安全開采和水工建筑物保護(hù)雙重意義。
灰場(chǎng)壩體保護(hù)煤柱丁組煤其它工作面的進(jìn)一步
開采，建議通過(guò)分析觀測(cè)資料及總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，再進(jìn)行論
證和決策。
3 結(jié) 論
(1)在正常地質(zhì)采礦條件下，儲(chǔ)灰場(chǎng)地表水體下
丁組煤層保護(hù)煤柱開采認(rèn)為是安全可行的，積水區(qū)
不會(huì)對(duì)工作面產(chǎn)生充水影響，工作面充水水源主要
是頂板砂巖水，但應(yīng)根據(jù)煤礦防治水相關(guān)規(guī)定做好
礦井生產(chǎn)日常防治水工作。
(2)截止2010年，灰壩下工作面開采對(duì)壩體及
相關(guān)附屬水工建筑物造成Ⅱ級(jí)采動(dòng)影響，分析認(rèn)為
不會(huì)對(duì)灰場(chǎng)壩體及附屬水工建筑物產(chǎn)生破壞性影
響，未對(duì)壩體靜力穩(wěn)定和滲流穩(wěn)定造成嚴(yán)重影響。
(3)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，灰壩下已采工作面的開
采未對(duì)壩體及水工建筑物產(chǎn)生破壞性影響。通過(guò)采
(上接第37頁(yè))
正因?yàn)锳RCGIS軟件在空間數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)管理
方面的優(yōu)勢(shì)，所以本人認(rèn)為ARCGIS軟件的空間數(shù)
據(jù)靈活性將是地理信息主要發(fā)展方向，ARCGIS軟件
中比例可任意縮放，添加圖廓、指北針、圖例、比例尺
即可出圖。
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取井下安全開采技術(shù)措施和地面建構(gòu)筑物監(jiān)測(cè)、維
修加固結(jié)合技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)了灰場(chǎng)壩體下安全開采，
解放煤炭資源約150萬(wàn)t，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
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安全技術(shù)規(guī)程[s]．
作者簡(jiǎn)介：龐立新(1970一)，男，采礦工程本科學(xué)歷，平頂山
天安煤業(yè)股份有限公司總工辦主任工程師，高級(jí)工程師，現(xiàn)
為河南理工大學(xué)在讀工程碩士。
(收稿日期：20l1—05—30)
出版社，2004：1—90．
[3] 范玉茹等．礦山GIS的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制研究與探討[J]
礦山測(cè)量，2008(2)．
作者簡(jiǎn)介：東海宇(1982一)，男，甘肅敦煌人，2006年畢業(yè)于
長(zhǎng)安大學(xué)地球科學(xué)與國(guó)土資源學(xué)院，學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)在甘肅有
色地質(zhì)勘查局四隊(duì)測(cè)量公司工作，測(cè)繪工程師，一直從事
GPS、GIS、數(shù)字化制圖、數(shù)據(jù)處理、圖形處理工作。
(收稿日期：2011—07—21)

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